Nieuwe resultaten laten een verschil zien in de manier waarop neutrino's en antineutrino's zich gedragen, wat zou kunnen helpen verklaren waarom er zoveel materie in het universum is.

De resultaten, vandaag aangekondigd door het internationale team van wetenschappers, waaronder een grote groep van Imperial College London, suggereren dat er een verschil zou kunnen zijn tussen het gedrag van materie en antimaterie.

De T2K-samenwerking van wetenschappers bestudeert de eigenschappen van neutrino's en hun antimaterie-tegenhangers, antineutrino's. Neutrino's zijn fundamentele deeltjes die deel uitmaken van ons universum en behoren tot de minst begrepen. Toch passeren elke seconde ongeveer 50 biljoen neutrino's van de zon door je lichaam.

Het is belangrijk om te begrijpen of neutrino's en antineutrino's zich anders gedragen, want als alle soorten materie en antimaterie zich op dezelfde manier gedragen, ze hadden elkaar kort na de oerknal volledig moeten wegvagen. Als dit het geval zou zijn, ons universum zou niet bestaan.

Neutrino's en antineutrino's kunnen beide tijdens hun reis wisselen tussen drie 'smaken', genoemd elektron, muon- en tau-neutrino's. Veranderingen tussen de drie smaken worden oscillaties genoemd.

Om deze trillingen te onderzoeken, het T2K-experiment vuurt een bundel neutrino's of antineutrino's af vanuit het J-PARC-laboratorium aan de oostkust van Japan. Wanneer de straal de Super-Kamiokande-detector bereikt, 295 km verderop in het westen van Japan, wetenschappers zoeken vervolgens naar een verschil in de oscillaties van neutrino's en antineutrino's.

De laatste experimentele resultaten keken naar oscillaties die resulteerden in het verschijnen van elektronenneutrino's en antineutrino's. Er was een hoger dan verwachte snelheid van verschijnen voor elektronenneutrino's in vergelijking met optredens van elektronen-antineutrino's.

Nieuwe fundamentele fysica testen

Dr Morgan Wascko, internationale medewoordvoerder van het T2K-experiment van de afdeling Natuurkunde aan het Imperial College London, zei:"Het huidige T2K-resultaat toont een fascinerende hint dat er een asymmetrie is tussen het gedrag van neutrino's en antineutrino's; met andere woorden een asymmetrie tussen het gedrag van materie en antimaterie. We moeten nu meer gegevens verzamelen om de betekenis van onze waargenomen asymmetrie."

e T2K Collaboration is een internationaal team van ongeveer 500 natuurkundigen van 63 instituten in 11 landen, waaronder het VK, Japan, de VS, Canada, Frankrijk, en Zwitserland. Een groot team van de afdeling Natuurkunde van Imperial, onder leiding van dr. Yoshi Uchida en dr. Wascko, betrokken was bij het produceren van het laatste resultaat, inclusief studenten en postdocs.

Dokter Patrick Dunne, een van de leidende analysers van het resultaat, zei:"De rol die ik en verschillende anderen bij Imperial spelen, is het doen van de statistische analyse om al dit werk samen te brengen tot een eindresultaat. We besteden maanden aan het controleren of we alles hebben verantwoord over onze detector en ons model van hoe de neutrino's op elkaar inwerken .

"Als dit allemaal klaar is, een van de grote privileges om een ​​van de mensen te zijn die deze laatste stap zetten, is om het resultaat iets eerder te leren kennen dan alle anderen, wat echt spannend is.

"Hopelijk vertellen deze aanwijzingen ons dat de huidige opstelling, en de experimenten die we van plan zijn te volgen, zal in staat zijn om deze materie-antimaterie verschillen nauwkeurig te meten. Compatibiliteit met deze metingen zal een zeer belangrijke test zijn om nieuwe fundamentele natuurkundige theorieën te laten slagen."

Van super naar hyper

Hoewel dit werk veelbelovend is, er zijn nog steeds systematische onzekerheden, daarom ontwerpt het T2K-team een ​​upgrade van de detector om de gevoeligheden te vergroten.

Dr. Philip Litchfield, die Imperial's beoordeling van de analyse leidde, zei:"Het toekomstige experiment waar Imperial het meest bij betrokken is, is Hyper-Kamiokande, de upgrade naar de Super-Kamiokande-detector.

"Dit zal veel preciezere (en dus ook meer definitieve) resultaten opleveren, simpelweg omdat het groter is en honderden keren meer neutrino's waarneemt dan we tot nu toe hebben verzameld. In dit opzicht is het net alsof je een beter beeld krijgt van de natuur door een betere camera.

"Maar een andere mogelijkheid waar we actief bij betrokken zijn, is om een ​​tweede detectormodule veel verder weg op dezelfde bundellijn te plaatsen, in Zuid-Korea in plaats van in Japan. Dit stelt ons in feite in staat om dezelfde verschijnselen vanuit een andere hoek te observeren."

Hoewel het team mogelijk moet wachten op upgrades en nieuwe experimenten om hun resultaat te bevestigen, Dr. Litchfield merkt op dat de wetenschap veel sneller vooruitgaat dan verwacht. Hij zei:"Het is heel opwindend dat we deze resultaten zo snel kunnen produceren.

"T2K heeft in zekere zin geluk gehad toen we in 2013 het uiterlijk van elektronenneutrino's ontdekten het waargenomen effect was veel groter dan verwacht toen we het experiment ontwierpen. Als je me in 2010 had gevraagd wanneer we het huidige resultaat zouden zien, Ik zou ergens in het midden van de jaren 2020 hebben geraden.

"De geweldige snelheid waarmee we deze resultaten vinden, is een uitdaging op zich - we moeten naar al onze modellen en analysetechnieken kijken en ervoor zorgen dat ze gedetailleerd genoeg en robuust genoeg zijn om deze meer gecompliceerde meting te maken, niet de eenvoudigere waarvan we dachten dat we er in 2017 nog steeds naartoe zouden werken."